光纖激光器的產生應用及發(fā)展簡介.ppt

1、引言 光纖激光器是在EDFA技術基礎上發(fā)展起來的技術。早在1961年，美國光學公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領域進行了開創(chuàng)性的工作，但由 于相關條件的限制，其實驗進展相對緩慢。而80年代低損耗的摻鉺光纖，從而為 光纖激光器帶來了新的前景。 近期，隨著光纖通信系統(tǒng)的廣泛應用和發(fā)展，超快速光電子學、非線性光學、光傳感等各種領域應用的研究已得到日益重視。其中，以光纖 作基質的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調諧性能等方面，已明顯取得進步，是目前光通信領域的新興技術，它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使之支 持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集波分復用系統(tǒng)和未來相干光通信的基礎。目前光纖激

2、光器技術是研究的熱點技術之一。引言光纖激光器的應用材料處理的應用標刻應用激光切割的應用材料彎曲的應用光纖激光器原理 光纖激光器主要由泵源、耦合器、摻稀土元素光纖、諧振腔等部件構成, 結構如圖所示.泵源由一個或多個大功率激光二極管構成, 其發(fā)出的泵浦光經特殊的泵浦結構禍合到作為增益介質的摻稀土元素光纖內, 泵浦波長上的光子被摻雜光纖介質吸收, 形成粒子數(shù)反轉, 受激發(fā)射的光波經諧振腔鏡的反饋和振蕩形成激光輸出 光纖激光器原理 在幾乎各種光纖激光器特別是摻雜光纖激光器中，光纖光柵都發(fā)揮著十分重要的作用，利用光纖光柵構成其諧振腔的激光器結構得到了越來越多的關注。光纖光柵起著激光選頻、反饋或兼有放大的

3、功能，巧妙地取代了鏡片式傳統(tǒng)光學諧振腔，解決了光路需調節(jié)的問題;它與稀土光纖的結合使得光纖激光器真正實現(xiàn)了全光纖結構;它精密的頻率選擇性可以獲得單縱模窄線寬的激光輸出，還可以降低噪聲;它良好的調諧特性可以使激光器形成連續(xù)可調輸出;利用多反射峰的光纖光柵可以實現(xiàn)光纖激光器的多波長輸出;如果將多反射峰與調諧性能結合起來還可以實現(xiàn)可選波長激光器。下面介紹一下光纖光柵的原理。光纖光柵的耦合模理論 耦合模理論是研究光纖光柵中應用范圍最廣的一種方法，能夠比較全面、細致、全程地描述光波藕合行為，可以用于分析DFB半導體激光器、各種波導耦合器件等多個領域中的電磁波活動。 它是以表述模場幅度如功率在傳輸過程中變

4、化規(guī)律的微分方程為基礎的模式理論。光纖光柵的耦合模理論 從Maxwell方程組可以簡單地推導出波導中光場所遵守的Helmholtz方程: 式中E為電場強度，k。為真空中波矢，n是介質折射率。光纖中所支持的光場模式可以表示為: 其中 為各模式的歸一化橫向模場分布，為傳輸常數(shù)，式中的+號與號分別代表沿z軸正反向傳播的光場。 通常紫外光引起的折射率改變非常小，約為量級，當作微擾處理是合理的。根據(jù)微擾理論，經過紫外曝光后光柵區(qū)的光場可以表示為曝光前光纖所支持的光場模式完備集的疊加: 光纖光柵的耦合模理論 分別表示沿:軸正反方向傳輸?shù)牡趈個模式光場的慢變幅度。光柵區(qū)的折射率調制具有周期性，可以按傅立葉級

5、數(shù)展開，且用相位掩模板或全息干涉等方法制作的光柵可近似地看作正弦調制，高次項所對應的幅度很小而被忽略，此時光纖芯區(qū)的折射率可簡單地表示為: 光纖激光器原理 是折射率的調制周期，n。是紫外曝光前的纖芯折射率， 是光致折射率變化的直流分量，是折射率調制的條紋可見度，而 也就是折射率調制的交流分量，必(z)則描述光柵周期的變化。同時，歸一化模場分布函數(shù)滿足以下方程:在弱波導耦合條件下， 是一個緩慢變化的包絡函數(shù)，它的二階導數(shù)可忽略不計，考慮到各模式之間的正交性，可推導出光柵區(qū)各模式之間的耦合方程為：光纖激光器原理 式中的 為第k個模式和第j個模式的橫向藕合系數(shù)，可表示為對于用單模光纖制作的Bragg

6、光柵來說，光纖光柵中只支持正反向基模之間的藕合，近似可得到最簡單常用的基模藕合方程:其中：光纖激光器原理 通過不同波長處的反射系數(shù) 就可得到光纖光柵對應的反射率 和群時延特性 ：對于其它周期不均勻或折射率調制不均勻等復雜結構的光纖光柵就只能夠借助于數(shù)值求解方法了。光纖激光器的優(yōu)越性優(yōu)越性主要體現(xiàn)在： 光纖激光器是波導式結構，可容強泵浦，具有高增益、轉換效率高、閾值低、輸出光束質量好、線寬窄、結構簡單、可靠性高等特性，易于實現(xiàn)和光纖的耦合。光纖激光器的分類（1）諧振腔結構法布里一珀羅(F一P:Fabry一Perot)腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔等（2）激光輸出的時域特性連續(xù)波光纖激光器與脈沖

7、光纖激光器;（3）激光輸出波長數(shù)目單波長光纖激光器和多波長光纖激光器（4）工作機制上轉換光纖激光器、下轉換光纖激光器（5）增益介質特性稀土摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器、基于非線性效應的光纖激光器等 分類依據(jù)包層泵浦光纖激光器技術 雙包層光纖的出現(xiàn)無疑是光纖領域的一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的制作成為現(xiàn)實。 自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來，包層泵浦技術已被廣泛地應用到光纖激光器和光纖放大器等領域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。 目前，該技術被稱為多模并行包層泵浦技術。包層泵浦光纖激光器技術在常規(guī)階躍折射率光纖的纖芯3 和外包層5之間增加

8、了一層用于傳輸多模泵浦光的內包層4.纖芯3中摻雜有稀土離子, 和傳統(tǒng)的單模光纖纖芯相似, 用于傳輸信號光, 并實現(xiàn)對信號光的單模放大利用光耦合系統(tǒng)2 將多個多模激光二極管1發(fā)出的泵浦光耦合至光纖內包層4中, 多模泵浦光在內包層傳輸時會反復穿過單模光纖纖芯3 , 這樣摻雜在纖芯3 中的稀土離子就會吸收泵浦光能量, 其外層電子從基態(tài)躍遷到上能級, 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉, 然后通過躍遷產生自發(fā)輻射光通過在光纖內設置的光纖光柵6的選頻作用, 特定波長的自發(fā)輻射光可被振蕩放大而最后產生激光輸出。包層泵浦光纖激光器技術 雙包層光纖的出現(xiàn)無疑是光纖領域的一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的制作成

9、為現(xiàn)實。多模并行包層泵浦技術特性決定了該類激光器有以下幾方面的突出性能：高功率無需熱電冷卻器效率高高可靠性新型的光纖激光器技術 早期對激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調諧波長范圍的擴展方面。今天，密集波分復用(DWDM)和光時分復用技術的飛速發(fā)展及日益進步加 速和刺激著多波長光纖激光器技術、超連續(xù)光纖激光器等的進步。同時，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實現(xiàn)Tb/s的DWDM或 OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現(xiàn)的技術途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術、超發(fā)光二極管等技術均見報道。 新型的光纖激光器技術多波長光纖激光器基于光纖的超連續(xù)光纖激

10、光器鎖模光纖激光器頻率上變換光纖激光器 結語 隨著光通信網絡及相關領域技術的飛速發(fā)展，光纖激光器技術正在不斷向廣度和深度方面推進；以光纖光柵、濾波器、光纖技術等為基礎的新型光纖器件等的陸續(xù)面市，將為光纖激光器的設計提供新的對策和思路。包層泵浦光纖激光器和單波長、2lRFL和3lRFL的面市，無疑體現(xiàn)出光纖激光器的巨大潛力。盡管目前多數(shù)類型的光纖激光器仍處于實驗室研制階段，但已經在實驗室中充分顯示其優(yōu)越性。結語 目前光纖激光器的開發(fā)研制正向多功能化、實用化方向發(fā)展。其中比較突出的光纖激光器類型有：能根據(jù)客戶需要波長而輸出特定波長的Raman光纖激光 器，針對WDM系統(tǒng)而開發(fā)的基于超連續(xù)譜的多波長光纖激光器，能改變波長間隔的多波長光纖激光器?？梢灶A見，光纖激光器將